第二章;材料的电学性能(热电性)
第二章 材料的电学性能1
电子在自由行程之间所获得的附加速度是从零升至Level)：ρ= ρ0(1＋αT)t低温下杂质、晶体缺陷对金属电阻的影响金属电阻—温度曲线电原因：压力作用下金属原子间距缩小，内部缺陷的形态、电子结构、费米面和能带结构以及电子散射机制等都将发生变化，引起金属的导电性能变化。
尤其对过渡族金属，由于其内部存在着具有能量差别不大的未填满电子的壳层，在压力的作用下，有可能使外壳层电子转移到未填满的内壳层，这就必然会表现出性能的变化。
ρ’＋ρT如令L d ＝d （薄膜厚度），则：ρd =ρ∞（1＋L / d ）生产上可采用沉积、溅射等方法作成薄膜电阻材料来提高材料电阻率1 / L et = 1 / L + 1 / L dL 、L d 分别为电子在试样中和表面的散射自由程试样的有效散射系数可写成Ag-Au合金电阻率与成分的关系固溶体电阻与温度的关系低浓度的固溶体中，固溶体电阻率随温度变化的斜率与溶质原子的含量无关（见左下图）。
固溶体的电阻率温度系数总是小于纯金属的电阻率温度系数。
越低。
或离子键道尔顿体别尔多利体金属相成分-性能关系：物理性能随成分均匀改变，如（b而另一种化合物成分-物理性能上则出现了特殊的点，称为奇异点。
如（a）所示电组率与组元的体积浓度关系：单电桥工作原理示意图阻，除试样电阻外，还包括引线电阻和接触电阻，当它们与试样电阻相比，不可忽略时，测量结果就不可靠。
因此，单电桥不能用于低电阻测量。
应选择一个与待测电阻有着同一双电桥法设计时，R 1、R 2、R 3、R 4的电阻远比Rx 、R N 、r 电阻大许多，所以A 是大电流通过的接头，称为电流接头；而A 2、B 2、C 2、D 2只通过小电流，称为电压接头。
、R 2、R 3和R 4，令检流计指零、H 、F 两点电位相等。
由于流过的电流很小，A 2与D 2接触电阻对F 电电位影响可忽略；同理B 2和C E 电位影响也可忽略。
但B 1、C 1及其连线电阻r 不可忽略，因为电流特别大。
材料的热电性能
材料的热电性能热电材料是利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接转换的功能材料。
它的产生于材料的热电性能密不可分，材料的热电性能可以总结为塞贝克效应，帕尔贴效应，汤姆孙效应.塞贝克效应热电现象最早在1823年由德国人Seebeck发现。
当两种不同导体构成闭合回路时，如果两个节点处电温度不同，则在两个节点之间将会产生电动势，且在回路中有电流通过，该现象被叫做Seebeck效应,此回路称为热电回路，回路中出现的电流称为热电流，回路中出现的电动势称为塞贝克电动势.塞贝克系数图 1 塞贝克效应示意图可表示为:式中，V表示电动势;T表示温度，S的大小和符号取决于两种材料和两个结点的温度。
当载流子是电子时，冷端为负,S是负值；如果空穴是主要载流子类型，那么热端是负，S是正值。
帕尔贴效应1834年，法国钟表匠Pletier发现了Seebeck效应的逆效应，即电流通过两个不同导体形成的接点时接点处会发生放热或吸热现象，称为帕尔贴效应.帕尔贴系数可表示为：P表示单位时间接头处所吸收的帕尔贴热；I表示外加电源所提供的电流强度。
汤姆孙效应当电流通过具有一定温度梯度的导体时,会有一横向热流流入或流出导体，其方向视电流方向和温度梯度的方向而定。
在实际应用中，以无量纲的ZT值来衡量材料的热电性能：式中，σ为电导率；k为热导率；S是塞贝克系数；T为温度。
σS2又被称作功率因子，用于表征热电材料的电学性能。
从上式可以得出,提高热电材料的能量转换效率可以通过增大其功率因子或降低其热导率来实现，但这3个参数并非独立的，它们取决于材料的电子结构和载流子的散射情况。
为了提高塞贝克系数，材料中应该只有单一类型的载流子，n型和p型载流子同时存在会导致两种载流子都向冷端移动,从而降低塞贝克电压。
低的载流子浓度会增大塞贝克系数，塞贝克系数公式如下：n为载流子浓度,m为载流子有效质量.大的载流子有效质量会提高塞贝克系数，但是会降低电导率。
m和态密度有关,载流子的有效质量会随着费米能及附近的态密度增加而增加。
材料的电学性能1PPT课件
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整体概述
概况一
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概况二
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概况三
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目录
2.1导体、绝缘体和半导体的划分 2.2金属的导电性 2.3半导体的电学性能 2.4电介质材料及其介电性能 2.5压电材料及其介电性能 2.6热释电材料及其介电性能 2.7铁电材料及其介电性能 2.8热电材料及其介电性能 2.9超导材料及其超导电性
经典自由电子论的问题根源在于它是立足于牛顿力学 的，而对微观粒子的运动问题，需要利用量子力学的 概念来解决。
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➢ 量子自由电子论
金属离子所形成的势场各处都是均匀的，价电子是共 有化的，它们不束缚于某个原子上，可以在整个金属内 自由地运动，电子之间没有相互作用。电子运动服从量 子力学原理 。（将量子力学观点引入电子理论）
自由电子占据空间服从泡利不相容原理； 能量分布按费米-狄拉克分布函数
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由于在量子自由电子中，电子的能级是分立的不连续的，只 有那些处于较高能级的电子才能够跳到没有别的电子占据的 更高能级上去，那些处于低能级的电子不能跳到较高能级去， 因为那些较高能级已经有别的电子占据着。这样，热激发的 电子的数量远远少于总的价电子数，所以用量子自由电子论 推导出的比热可以解释实验结果。
金属固体
解决前面全 部问题
固体、晶体 10
➢ 经典自由电子论
金属是由原子点阵组成的，价电子是完全自由的，可以在整 个金属中自由运动。自由电子的运动遵守经典力学的运动规 律，遵守气体分子运动论。服从麦-玻（MaxwellBoltzmann)统计规律。
(整理)南昌大学材料性能学重点 材料电学性能.
第二章材料电学性能内容概要：本章介绍金属的导电机理，以及影响金属导电的因素，导电率的测量方法及其它材料的电学性质。
具体内容和学时安排如下：第一节导电性能及本质要求学生掌握导电的三大理论：经典电子理论；电子的量子理论；能带理论。
这三大理论的成功或不足点。
理解自由电子、能级和能带、周期性势场、能带密度、K空间的概念。
第二节金属导电性能影响因素理解温度、相变、应力和热处理（淬火和退火）对材料导电性能的影响。
第三节合金的导电性能理解固溶体和化合物的导电性第四节电阻率的测量电阻率的测量方法有单电桥法；双电桥法；电子四探针法。
重点要求掌握单电桥法。
第五节电阻分析应用根据电阻率与温度的线性关系，可来研究材料的相变，材料的组织结构变化。
第六节超导电性掌握超导的两大性能：完全导电性和完全抗磁性。
掌握超导态转变为正常态的三个条件：临界温度；临界电流；临界磁场。
超导的本质－BCS理论。
第七节材料的热电性能了解三大热电现象：第一热导效应、第二热电效应、第三热电效应。
第八节半导体导电性的敏感效应了解半导体能带结构特点；半导体导电有本征导电和杂质导电;实现导电的条件。
第九节介电极化与介电性能掌握电介质极化机理和介电常数的本质第十节电介质的介电损耗了解电介质的能量损耗。
（共12个学时）第一节导电性能及本质材料的电学性能是指材料的导电性能，与材料的结构、组织、成分等因素有关。
一、电阻与导电的概念Ｒ＝Ｕ/I R 不仅与材料的性质有关，还与材料的几何形状有关 。
SL R ρ= L 与材料的长度，ｓ与材料的横截面积，ρ为电阻率，单位为 m Ω∙ρσ1=值越小，a 值越大。
ρ 值愈小，σ值愈大。
纯金属：e 为10-8～10-7合金： 10-7～10-5半导体：10-3～109 绝缘体：﹥109 导电性能最好的金属是银、铜、金，其电阻率分别为1.5×10-8Ω⋅m 、1.73×10-8Ω⋅m 、等二、导电机理及能带理论关于材料的导电机理有三大理论：经典电子理论；电子的量子理论；能带理论。
材料物理性能——电学性能
P型半导体 在本征半导体中掺入三价元素杂质（B、Al、Ga、In，形成高浓度空穴。
在常温下价带中的价电子能进入三价元素的空穴，而在价带在产生空穴。 三价元素称为受主杂质（能接受价电子）。 P型半导体（空穴型半导体）中，空穴的浓度大，称为多数载流子，简称
1、工作电流标准化（K到N）
I EN Rb
2、求待测电动势（K到X）
Ex
IR x
EN
RK Rb
3、求待测电阻Rx Rx=R标Ux/U标
特点：消除连线电阻和接触 电阻
电阻分析的应用
• 合金的时效 • 合金的有序－无序转变 • 固溶体的溶解度 • 淬火钢的回火
Al-Cu合金时效步骤： 1、加热到α单相区固溶 2、淬水，得到过饱和α固溶 体
• 金属化合物（如FeAl3,NiAl3）的导电性通常比其 组元的导电性低得多，主要是金属键部分地为共 价键或离子键所代替。
• 电子化合物（如Cu3Zn8）主要是金属键结合，导 电性介于固溶体和金属化合物之间。
• 间隙相(如TiC)具有金属键和的特性，导电性较好。
多相合金的导电性
• 当合金为退火态、无织构，且组成相的电导率相近时（电 导率之比约0.75~1.75），双相合金的导电性符合各项合 金相加规律。
12 V12 (T1 ) V12 (T2 ) V2 (T1,T2 ) V1 (T1,T2 )
热电偶回路的热电势由 温差电位差和接触电位差构成
E
热电偶测温 铂铑－铂，镍铬－镍铝，铜－康铜
12 V12 (600 ) V2 (600,25) V1(600,25)
温度越低，超导体越稳定。
热电性－赛贝克效应
材料物理性能
2.本征半导体的迁移和电阻率
自由电子和空穴热运动，在外电场的作用下做定 向漂移运动，形成电流。漂移过程中不断碰撞，有一 定的漂移速度。 迁移率：单位场强下，载流子的平均漂移速度。
分别用μn和μP分别表示自由电子和空穴的迁移率。
（1）迁移率与外电场强成正比。 （2）自由电子的迁移率较空穴高。 （3）能带宽度大的迁移率低。 本征半导体电阻率：
金属导体的能带分布特点:无禁带 导带 价带 价 带 （ 导 带 ）
第一种：价带和导带重叠。 第二种：价带未被价电子填满，价带本身就是导带。
这两种情况下的价电子就是自由电子，所以金属 即使在温度较低的情况下仍有大量的自由电子，具有 很强的导电能力。
非导体的能带分布特点:有禁带
在绝对零度时，满价带和空导带，基本无导电能力。
绝缘体:
禁带宽度大。在室温下，几乎没有价电子能跃迁 到导带中去，故基本无自由电子和空穴，所以绝缘体 几乎没有导电能力。
2.4 金属的导电性
2.4.1 金属导电的机制与马基申定律
金属导电的机制： 经典理论 在外电场的作用下，自由电子在导体中定向移动。 量子理论
在外电场的作用下，自由电子以波动的形式在晶 体点阵中定向传播。
2.8.2 半导体中的能量状态—能带
原子结合状态：价电子共有的共价键。 以Si为例：
单原子能级：3s2 3p2 ,3p 中有4个电子空位。
若有 N 个原子的无缺陷硅单晶：
能带：共价键结合后，能级分裂成满带和空带
满带： 4N 个价电子全部占满，能量 EV 。 空带：有 4N 个空位，没有电子，能量 EC 。 禁带：
2.5.2 金属化合物的导电性
两种金属的原子形成化合物 时，由于原子键合的方式发生本 质变化，使得化合物的电阻较固 溶体大大增大，接近于半导体的 导电性。 原因 部分结合方式由金属键变为 共价键或离子键。
材料的热电性能
材料的热电性能热电材料是利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接转换的功能材料。
它的产生于材料的热电性能密不可分，材料的热电性能可以总结为塞贝克效应，帕尔贴效应，汤姆孙效应。
塞贝克效应热电现象最早在1823年由德国人Seebeck发现。
当两种不同导体构成闭合回路时，如果两个节点处电温度不同，则在两个节点之间将会产生电动势，且在回路中有电流通过，该现象被叫做Seebeck效应，此回路称为热电回路，回路中出现的电流称为热电流，回路中出现的电动势称为塞贝克电动势。
塞贝克系数可表示为：式中，V表示电动势；T表示温度，S的大小和符号取决于两种材料和两个结点的温度。
当载流子是电子时，冷端为负，S是负值；如果空穴是主要载流子类型，那么热端是负，S是正值。
帕尔贴效应1834年，法国钟表匠Pletier发现了 Seebeck效应的逆效应，即电流通过两个不同导体形成的接点时接点处会发生放热或吸热现象，称为帕尔贴效应。
帕尔贴系数可表示为：P表示单位时间接头处所吸收的帕尔贴热； I表示外加电源所提供的电流强度。
汤姆孙效应当电流通过具有一定温度梯度的导体时，会有一横向热流流入或流出导体，其方向视电流方向和温度梯度的方向而定。
在实际应用中，以无量纲的ZT值来衡量材料的热电性能：式中，σ为电导率；k为热导率；S是塞贝克系数；T为温度。
σS2又被称作功率因子，用于表征热电材料的电学性能。
从上式可以得出，提高热电材料的能量转换效率可以通过增大其功率因子或降低其热导率来实现，但这3个参数并非独立的，它们取决于材料的电子结构和载流子的散射情况。
为了提高塞贝克系数，材料中应该只有单一类型的载流子，n型和p型载流子同时存在会导致两种载流子都向冷端移动，从而降低塞贝克电压。
低的载流子浓度会增大塞贝克系数，塞贝克系数公式如下：n为载流子浓度，m为载流子有效质量。
大的载流子有效质量会提高塞贝克系数，但是会降低电导率。
m和态密度有关，载流子的有图 1 塞贝克效应示意图效质量会随着费米能及附近的态密度增加而增加。
热电材料的电学特性与性能研究
热电材料的电学特性与性能研究第一章绪论随着能源危机日益严峻，热电材料作为一种高效、环保的能源转换材料，备受学术界和工业界的关注。
热电材料是指在温差、压差或辐射场下，可将热能直接转换成电能或电能直接转换成热能的一类材料。
热电材料具有很大的应用前景，可用于制造纳米发电机、发电面料、路面车流能够资源回收等废件、低功耗电源等。
第二章热电材料的基本电学特性热电材料能够将温差转换成电能，是因为材料中的载流子（即电子和空穴）在温度梯度下发生浓度梯度，进而产生了载流子浓度差。
热电材料的电学特性主要包括电导率、霍尔系数、Seebeck 系数三个方面。
1.电导率电导率是指电场中单位长度内电流密度与电场强度之比。
针对热电材料而言，电流密度由载流子的扩散运动与漂移运动产生，而载流子扩散速度与漂移速度对应的电场强度则分别称为扩散电场和漂移电场。
因此，电导率的表达式为：σ= nqμ+ D其中，σ为电导率，n为载流子浓度，q为电荷量，μ为电子迁移率，D为扩散系数。
热电材料的电导率与载流子浓度、电子迁移率和扩散系数有关，其中的扩散系数则与扩散能垒相关。
2. 霍尔系数霍尔系数是指针对于磁场作用下热电材料产生的电场强度与磁场强度之比。
在外加磁场下，载流子将会受到洛伦兹力的作用，产生在和热电势之间作用的电场，这个效应便称为霍尔效应。
霍尔系数和载流子的电荷量和性质有关，在材料表面裸露的载流子霍尔系数比在体内霍尔系数高，并且随着沟道宽和载流子浓度的增加而减小。
3. Seebeck系数Seebeck系数是指在温差作用下，热电材料中电子能级发生变化后引起的电势差与温差之比。
More基于Thomson效应指出Seebeck系数可表达为：S= Vk- VT其中，Vk为载流子漂移速度（或漂移电场强度），VT为制热部分的电子温度。
由此，可以得出Seebeck系数反比于载流子迁移率的推论。
第三章热电材料的性能研究热电材料的性能研究主要包括制备及优化研究与热电性能测试研究两大方面。
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影响热电势的因素 1、合金元素 随合金浓度的增加而降低 形成化合物时，合金的电阻率要发生跃变 2、组织转变的影响 马氏体是无扩散转变，钢的成分无变化，A和M热 电势差别较大，马氏体热电势较大，而奥氏体热 电势较小
亚稳固溶体的析出 过饱和固溶体的实效或回火热电势的变化主要与第二相的 析出基体使合金元素的贫化；。 例如：回火时，温度越高，析出越多，铁与碳形成化合物， 固溶体含铁量越少（基体合金元素的贫化），热电势愈小 3、钢中含碳量及热处理的影响 含碳量相同时，淬火态碳固溶α-Fe中比退火态热电势显 著增加 同时淬火态，含碳量越大，热电势越大 同时退火态，渗碳体数量越多，热电势越大 有序化：热电势降低
三、塞贝克效应（玻尔贴效应和汤姆 逊效应综合效应）
两种不同材料相接触产生的热效应（玻尔贴） 一种材料由于两端温度不同产生的热效应（汤姆逊） 两种不同的材料相接触，两端温度不同，则产生塞贝克效应。 塞贝克效应是玻尔贴和汤姆逊效应的综合效应
塞贝克效应：当两种不同的导体组 成一个闭合回路时，若在两接头处 存在温度差则回路中将有电势或电 流产生，这种现象称为塞贝克效应。 产生的电流称为热对流，电势称为 热电势
热电性
塞贝克效应 玻尔贴效应 汤姆逊效应 热电分析的应用
序言
材料中存在温度差会产生热流 材料中存在电位差会产生电流 无论是热流还是电流都与电子运动有关 热流和电流之间存在交叉关系，构成了热 点效应
一、玻尔贴效应（两种不同材料产生）
玻尔贴电势（接触电位差） 产生的原因：两种金属材料电子的逸出功不同 两种金属材料的电子密度不同 定义：两种不同的金属材料பைடு நூலகம்接触时，由于各自电子密度的不同，接触 处发生自由电子的扩散，当电场力与扩散力达到平衡时所形成的电位 差
4、压力的影响
应用：
四、热电分析
有一含WMg=4%, 含WZn=8%的铝合金， 淬火后在时效的过程中热电势随温度的 变化曲线如图示，试分析该合金100℃到 400℃连续加热的过程中热电势的随曲线 的变化情况，并分析原因。 答: 由图中曲线可看出，低温时热电势降低， 是由于Mg和Zn偏聚的结果，当偏聚到一 定程度时，热电势降到最低。由于偏聚 程度继续降低，热电势将增加。 当温度升高到一定程度时，由于析出第 二相Al2Mg2Zn3, 随温度的升高，析出数 量增大，热电势开始降低。 温度进一步升高析出相聚集将导致热电 势增加。
刚开始时由于两种材料电子密度不同产生扩散（扩散力），随着电子 的扩散，会产生电场，形成电场力，电场力阻止电子运动，当电场力 与扩散力达到平衡时，会形成一电位差
玻尔贴效应：当电流通过两种不同的导体所组成的 回路时，在两种材料接头处分别产生吸热和放热 现象。
原因：接触电位差对电子的定向移动有加速的作 用，加速电子与接头处附近的原子相撞，把动能 传给原子，原子运动加剧，因而放热。 相反则吸热 与温度的关系： 温度越高，则两种金属自由电子密度差越大，接触 电势则越大 是在两种不同材料中产生的
二、汤姆逊效应（一种材料中产生）
汤姆逊电势（温度电位差）:在一根均匀导体中，由于两端 温度不同，导致导体两端电子密度不同，形成电子密度梯 度，产生电子扩散，当电场力与扩散力达平衡时形成的电 位差叫汤姆逊电势
汤姆逊效应：当电流通过具有一定梯度的导体时，会 有一横向热流流入或流出导体，其方向视电流方向 和温度梯度方向而定。此种效应称为汤姆逊效应。